低氮处理诱导雪菊类黄酮物质代谢及积累机理研究

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雪菊(Coreopsis tinctoria Nutt.)的花中含有丰富的类黄酮物质,具有极高的药用价值。类黄酮物质的含量和种类是影响雪菊药用价值的重要因素,因此有必要通过改进其栽培措施以进一步促进雪菊类黄酮物质的积累。在生产中,雪菊氮肥施用量过多的现象较为普遍,这不但导致氮肥利用率下降和环境污染问题,同时会抑制雪菊药用活性物质类黄酮含量的积累,影响雪菊产业的绿色高质量发展。目前,通过氮肥减施改善雪菊类黄酮物质代谢和积累的研究未见报道。本研究利用水培试验法分别对不同低氮水平下雪菊类黄酮物质含量进行测定和分析,并进一步通过高效液相串联质谱技术、转录组测序技术和实时荧光定量等技术相结合的方法对低氮处理下雪菊类黄酮物质积累的生理特性和分子机理进行研究。主要研究结果如下:(1)2020年和2021年的试验结果均显示,0.625 m M氮浓度作为评价雪菊耐低氮能力和维持类黄酮积累的的适宜浓度,它维持了碳和氮代谢的相关活动,进一步保证了雪菊的开花数量和生物量。0.625 m M氮浓度促进了叶片内部的碳/氮比率,并在2020-2021年4个采收期中的总黄酮含量提升的范围分别为7.6%~17.3%和7.9%~28.1%。与叶片总黄酮含量积累模式相似,花序中2020-2021年4个采收期总黄酮含量的提升范围分别为5.45~13.28%和3.57~21.71%。而PAL、C4H、4CL和CHS是调节叶片总黄酮含量积累的关键酶。对所有叶片游离氨基酸的分析中,低氮处理使Asn、Ser、Glu、Ala、Val、Tyr、Phe的含量增加,Thr、Gly、Leu、Ile、Lys、Pro的含量降低。控氮条件下雪菊植株体内的碳和氮代谢不仅可以控制碳在氨基酸和碳水化合物的合成,也同时改变了雪菊中类黄酮物质的生物合成。(2)设置低氮处理组(0.625 m M Ca(NO3)2)和对照组(5.000 m M Ca(NO3)2),基于UPLC-MS/MS的类黄酮代谢组学方法对低氮处理组和对照组的雪菊花蕾期的花蕾和初花期、盛花期、末花期的花序类黄酮物质的组分含量进行了测定与分析。低氮处理组和对照组中共检测到299种类黄酮物质,并且两个处理的类黄酮物质含量存在着较大的差异,差异较大的时期为花蕾期,差异较大的类黄酮物质包括6’’-O-丙二酰染料木苷、五羟黄酮、泽兰黄酮(6-甲氧基木犀草素)、3,5,7,3’,5’-五羟基-4’-甲氧基黄酮等。以上这些信息从生理水平上说明,低氮处理影响了雪菊花中类黄酮物质的含量和种类。(3)对低氮组和对照组的雪菊花的24个样本进行了转录组测序,从数据中鉴定到与低氮耐受性显著相关的基因,包括淀粉与蔗糖代谢途径中的SUS、AAM、Hx K、EG以及植物信号转导途径中的PP2C、Sn RK2、AUX/IAA、AUX/IAA LBD、JAR1、CRE和A-ARR等。此外,对影响雪菊类黄酮物质积累的相关代谢途径进行了鉴定,主要涉及的途径为苯丙烷途径和类黄酮途径,鉴定到的相关基因有PAL、4CL、CCR、HCT、C3’H、CHS、DFR、FLS、CYP75B1和ANR等。(4)将类黄酮代谢组学与转录组学数据进行联合分析发现,低氮处理下PAL、4CL、HCT和CHS的上调表达改善雪菊类黄酮物质积累的主要原因。将挑选的类黄酮物质与抗氧化活性指标进行相关性分析后可知,山奈酚-3-O-(6’’-对香豆酰)半乳糖苷、槲皮素-3-O-(2’’-乙酰)葡萄糖醛酸苷、3,7-二甲氧基槲皮万寿菊素、异柽柳苷、芹菜素-8-C-阿拉伯糖苷、槲皮素-5-O-葡萄糖醛酸苷和矢车菊素-3-O-(6’’-O-对香豆酰-2’’-O-木糖基)葡萄糖苷等类黄酮物质在低氮处理下的积累是增强雪菊抗氧化活性的主要原因。
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